Regard sur l'univers de la physique et l'Astrophysique...

Pourquoi la demi-vie du carbone 14 est-elle aussi longue en comparaison des autres isotopes radioactifs de noyaux légers ? Parce que les forces entre trois nucléons ne sont pas réductibles à celles entre paires de nucléons, comme vient de le montrer une longue simulation sur un supercalculateur.

Quelles seraient aujourd’hui les impressions de Marie Curie face aux impressionnants progrès de la physique nucléaire depuis un siècle ? Voilà d’ailleurs cent ans que Rutherford a annoncé la découverte du noyau. La naissance de la mécanique quantique et les travaux de Heisenberg, Fermi, Wigner, Yukawa, Ivanenko, Gamow, Niels Bohr et bien d’autres nous ont permis de comprendre que ce noyau est composé de neutrons et de protons échangeant des mésons et qu'il peut se désintégrer par radioactivité bêta.

Toutefois, encore aujourd’hui, il reste des mystères dans le comportement et la structure des noyaux. Cela est dû au fait que les forces nucléaires fortes entre les nucléons sont particulièrement intenses et complexes. De plus, lorsque dans un noyau le nombre de nucléons augmente, on se trouve confronté typiquement à un problème à N corps avec des effets non linéaires, rendant difficile la résolution analytique des équations décrivant le comportement des nucléons. On en est réduit à utiliser différents modèles nucléaires qui tous ont leurs limites, que ce soit le modèle de la goutte liquide, du gaz de Fermi, en couches, etc.

Aujourd'hui, la puissance des ordinateurs, comme celle du Jaguar équipant le laboratoire de Oak Ridge, commence à être suffisante pour venir efficacement en aide aux théoriciens. Ainsi, il est devenu possible de comprendre pourquoi le carbone 14 une demi-vie d’environ 6.000ans alors que les autres isotopes de noyaux légers radioactifs se désintègrent avec des demi-vies de l’ordre de la minute ou de la seconde.

La désintégration du carbone 14 est au fondement de la méthode de datation développée par Willard Libby en 1949. Elle lui vaudra le prix Nobel de physique en 1960. Toutefois, selon un autre prix Nobel, Emilio Segrè, elle lui aurait été suggérée par Enrico Fermi à l’occasion d’un séminaire à l’Université de Chicago. On voit sur cette photo Willard Libby dans son laboratoire. © UC Regents

Six mois de travail et 3 mois de calculs
En théorie un gaz de protons et électrons est complètement décrit par une équation de Schrödinger contenant des termes d’interaction associés à des paires de particules chargées. Mais, du fait des caractéristiques des forces nucléaires fortes, il n’en est pas de même dans un gaz de nucléons. Il apparaît une nouvelle force lorsque l’on considère trois nucléons, et le comportement de ces derniers n’est pas la seule conséquence des forces nucléaires entre toutes les paires possibles de nucléons.

Les chercheurs ont donc développé un code informatique adapté à la simulation du comportement des nucléons, tenant compte de cette information physique. Il a fallu pour cela faire un calcul sur une matrice, sorte de tableau de nombres, possédant plusieurs milliards de lignes et de colonnes où environ 30.000 milliards d’éléments ne sont pas nuls. Il fallait bien la puissance d’un supercalculateur capable d’effectuer jusqu’à 2,3 millions de milliards d’opérations par seconde pour obtenir un résultat en moins d’une année. De plus, il était aussi nécessaire de décrire le noyau d’azote 14, résultant de la désintégration du carbone 14, pour obtenir le bon ordre de grandeur pour la demi-vie de cet isotope du carbone.

Le supercalculateur du Oak Ridge National Laboratory, le Jaguar. © Oak Ridge

On pourra trouver tous les détails du calcul dans un article d’Arxiv donné en lien ci-dessous.
* Origin of the Anomalous Long Lifetime of 14C

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/il-y-avait-une-enigme-du-carbone-14-il-ny-en-a-plus_30682/

Le graphène et ses cousins sont considérés comme des matériaux miracles pour l'électronique de demain. On vient de trouver une façon plus simple d'explorer leur comportement quantique à l'aide d'un semi-conducteur constituant ce que les chercheurs appellent du graphène artificiel.

Dans son célèbre cours de physique pour étudiants de licence, le prix Nobel de physique Richard Feynman donne plusieurs exemples de ce que l’on peut appeler des simulateurs analogiques classiques. Prenez par exemple un véhicule comme une voiture ou un camion. Il possède des pièces métalliques de diverses formes et compositions qui peuvent se mettre à vibrer lorsque l’engin roule à une certaine vitesse sur un terrain donné. Lorsque l’on se trouve sur une résonnance, une des pièces, par exemple un essieu, peut se rompre. On pourrait imaginer construire des centaines d’exemplaires différents d’un tel engin et faire des tests sur des autoroutes ou des pistes dans le désert, mais cela coûterait plutôt cher.

La solution est de construire un seul système avec des condensateurs, des inductances et des résistances variables. L’ensemble constituera un système d’équations différentielles mathématiquement identiques à celui décrivant les oscillations mécaniques des pièces de la voiture (par exemple) que l’on veut construire. Il n'est pas nécessaire de savoir résoudre ce système, il suffit de voir comment il se comporte selon les diverses valeurs de ses dipôles électriques en réponse à une excitation donnée, pour savoir l’engin résistera bien ou non.

Lorsque l’on est confronté à la conception de nouveaux matériaux, conducteurs ou isolants, ferromagnétiques ou supraconducteurs, l’équation de Schrödinger décrivant ces propriétés peut être difficile à résoudre analytiquement. De même, il serait parfois fastidieux de tester les divers comportements possibles de ces matériaux en changeant leur composition. Une bonne idée est de faire intervenir cette fois-ci un seul matériau plus simple à synthétiser mais qui va se comporter comme un simulateur quantique. Il s’agit donc de transposer dans le domaine quantique le concept de simulateur analogique.

Pour décrire le comportement magnétique de matériaux, on peut se ramener à un problème en deux dimensions constituant ce qu’on appelle un modèle d’Ising. Pour la conduction des électrons dans un matériau, on fait de même appel au modèle en deux dimensions, connu sous le nom de modèle de Hubbard ou encore de Hubbard-Mott. Il consiste, globalement, en un réseau cristallin dans lequel les interactions entre les électrons de conduction ne sont pas négligeables et qui tient compte aussi des interactions entre ces électrons et ceux présents dans les atomes occupant les sites du réseau cristallin. Avec ce modèle simplifié, on peut explorer, par exemple, la physique liée à la transformation d’un isolant en conducteur, la transition de Mott.

Simuler les cousins prometteurs du graphène
Or, l’un des nouveaux matériaux les plus étudiés actuellement est le fameux graphène. Les chercheurs s’intéressent beaucoup à ses propriétés de conducteur pour une nouvelle électronique. Malheureusement, décrire les diverses variantes du graphène, comme le graphane ou le fluorographène, n’est pas très simple non plus.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont eu l’idée de fabriquer un semi-conducteur formant une structure en nid d’abeille similaire aux réseaux périodiques du graphène et de ses cousins. À base d’arséniure de gallium, ce graphène artificiel ou encore « artificial graphene » (AG) en anglais, est facilement synthétisable sous diverses formes à l’aide de la nanotechnologie. Il s’agit donc d’un simulateur quantique bien adapté pour explorer différents régimes d’interactions entre les électrons se déplaçant dans du graphène et ses cousins, soumis à des champs électriques ou magnétiques.

Il s'agit même du premier simulateur quantique basé sur un semi-conducteur apte à reproduire la physique des électrons fortement couplés. Comme les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme des feuillets de graphène enroulé, on peut penser que ce simulateur ou ses variantes sera également utile pour la physique quantique des nanotubes de carbone.

On pourra consulter l’article des chercheurs au sujet de leur AG, publié dans Science, grâce au lien ci-dessous.

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-simulateur-quantique-pour-explorer-la-physique-du-graphene_30756/

C’est la douche froide pour ceux qui espéraient voir au moins une nouvelle particule pointer le bout de son nez dans les collisions de protons et d’antiprotons au Tevatron. Le détecteur D0 ne détecte rien de différent des prédictions du modèle standard vers 150 GeV, contrairement à son frère, CDF. Si le boson Z' existe, il sera découvert avec le LHC.

Les physiciens des hautes énergies ont probablement deux craintes. La première est que l’on ne puisse voir que le boson de Higgs dans les collisions au LHC et la seconde est qu’il n’y ait effectivement pas de nouvelles physiques entre celle de la brisure du modèle électrofaible que l’on peut explorer au LHC et celle des hypothétiques Théories de grande unification (les GUT) standards. Dans le cadre de ces dernières, de nouveaux phénomènes et de nouvelles particules ne se manifesteraient qu’à des énergies de l’ordre de 10¹⁵ GeV, soit presque 10¹¹ fois plus élevées que celles que l’on pourra atteindre avec le LHC.

On comprend donc bien que les résultats annoncés depuis quelques mois par la collaboration CDF exploitant les mesures effectuées avec le détecteur du même nom au Tevatron, et qui suggéraient que l’on était au seuil de la découverte du boson Z', étaient encourageants. On pouvait même se laisser aller à rêver. En effet, malgré son extrême improbabilité, ces résultats pouvaient indiquer que certaines conséquences possibles de la théorie des cordes à basse masse de Planck commençaient là aussi à se manifester. Si tel était le cas, on pouvait espérer que la création de minitrous noirs était à portée de main.

Match CDF-D0
Hélas… les physiciens s’occupant de D0, l’autre détecteur équipant le Tevatron, viennent de publier un article dans lequel ils annoncent ne rien voir de différent des prédictions du modèle standard. Le plus probable est que l'on comprenne mal le fonctionnement du détecteur CDF ou l’analyse des données qu’il collecte. En tout état de cause, le LHC continue à battre des records de luminosité et il semble même que les résultats déjà obtenus soient ceux prévus pour la fin de l’année. Il y a peut-être une toute petite chance pour que les détecteurs CMS et Atlas jouent le rôle d’arbitres et donnent raison à CDF.

Dans notre quête d’une nouvelle physique, nécessaire pour comprendre certaines des étapes importantes de l’Histoire du cosmos observable nous ayant mené du Big Bang au Vivant, nous n’avons pour le moment pas d’autres indications que celles fournies par la cosmologie, à savoir la matière noire et l’énergie noire. En 2008, plusieurs prix Nobel faisaient part de leurs attentes et espoirs pour le LHC... que diraient-ils maintenant ? Une chose est sûre, il est encore trop tôt pour abandonner tout espoir de voir des nouvelles particules comme celles prédites par la supersymétrie.

Une vue du détecteur D0 équipant le Tevatron. © Wikipédia, domaine public

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-tevatron-naurait-pas-decouvert-une-nouvelle-particule_30812/

Les chercheurs du Japan Synchrotron Radiation Research Institute (Jasri) viennent d’annoncer avoir battu un record avec un laser à électrons libres, celui de la plus courte longueur d’onde associée à de la lumière laser dans le domaine des rayons X: 1,2 angström. Cela ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de la biologie structurale.

Pouvoir observer ce qui se passe à l’échelle des atomes et des molécules lors de leurs combinaisons permettrait certainement de mieux comprendre le fonctionnement de certains médicaments dans les cellules ou d’intéressantes percées dans le domaine des nanotechnologies. Simplement, mieux comprendre la structure 3D des protéines et des enzymes donnerait aussi la possibilité de développer de nouveaux traitements médicaux. Pour cela, il faut disposer de sources de lumière avec la plus petite longueur d’onde possible afin de pouvoir réaliser des images des molécules avec la plus grande résolution possible.

C’est ce que tentent de faire les chercheurs japonais avec le laser à électrons libres associé au synchrotron Super Photon ring-8 GeV (SPring 8). Un laser à électrons libres n’est pas une nouveauté, l’un des plus puissants au monde étant le Linac Coherent Light Source (LCLS) qui a été utilisé pour fabriquer des « atomes creux ». Un autre, en Allemagne, permet de rendre l’aluminium transparent dans un domaine de longueurs d’onde associé aux ultraviolets.

Un tableau comparatif des structures que l'on peut observer à des longueurs d'onde de plus en plus courtes de la gauche vers la droite. Un laser à électrons libres (Free Electron Laser) permet ainsi de générer des impulsions X révélant le monde des protéines. © X-ray Free Electron Laser

Un beau record du monde
Le laser se situant à Harima au Japon se nomme Sacla (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser). Il y a quelques mois, les chercheurs japonais étaient parvenus à produire des impulsions lumineuses avec une longueur d’onde de seulement 0,8 angström, mais il ne s’agissait pas encore d’impulsions laser. C’est maintenant chose faite et ils annoncent avoir obtenu avec Sacla des impulsions laser avec une longueur d’onde de 1,2 angström.

Il s'agit là d'un record du monde à plus d’un titre. En effet, Sacla génère maintenant des impulsions de rayons X un milliard de fois plus brillantes et mille fois plus courtes que les autres sources de par le monde.

Sur la gauche se trouve le bâtiment abritant Sacla (XFEL) et à droite SPring 8. © X-ray Free Electron Laser

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/record-un-laser-x-avec-une-longueur-donde-de-12-angstroem_30893/

Jusqu’à un certain point, protons et électrons peuvent être modélisés comme des toupies aimantées en rotation, capables de basculer sous l’action d’un champ magnétique en raison de leurs moments magnétiques. On savait déjà mesurer le moment magnétique d’un électron et un groupe de chercheurs allemands se prépare à mesurer finement celui du proton et surtout de l'antiproton. De quoi espérer une incursion hors de la physique classique.

La mécanique quantique et ses conséquences expérimentales nous ont appris que l’on ne pouvait pas considérer la matière comme un ensemble de petites billes rigides qui auraient des positions et des vitesses bien définies dans l’espace-temps. On ne peut pas non plus les envisager comme des paquets d’énergies formant des bosses dans un champ d’ondes, à la façon de certaines ondes solitaires à la surface de l’eau.

Toutefois, il est possible, selon les expériences, de constater que le comportement des quantons (selon l’expression du philosophe et physicien Mario Bunge), que ce soient des électrons ou des photons, possède bien à un certain degré quelques-unes des caractéristiques des billes ou des vagues de la physique classique.

Une théorie précise au millième de milliardième
Ainsi, on peut considérer que les électrons se comportent bien dans certains cas comme s'ils étaient des petites sphères chargées et aimantées. On peut donc leur associer un moment électrique dipolaire et un moment magnétique. Le premier n’a pas encore été mesuré mais le second si. Il a même fait l’objet de calculs de plus en plus précis depuis soixante ans, commençant avec ceux de Julius Schwinger et ceux rendus célèbres par les travaux de Toichiro Kinoshita. La précision obtenue est colossale et fait de l’électrodynamique quantique (QED) la théorie physique la plus performante dont nous disposons.

Toutefois, dans le cas d'une autre particule du modèle standard, le muon, avec la prise en compte des effets des interactions électrofaibles et de l’existence de quarks chargés, un désaccord entre expérience et prédictions apparaît pour le moment magnétique de cette particule. Cela signale peut-être de la nouvelle physique, comme de la supersymétrie. Cette même nouvelle physique pourrait avoir un effet mesurable sur le moment dipolaire de l’électron.

Sur ce schéma, un proton individuel noté P effectue un mouvement d'oscillation axial, c'est-à-dire de bas en haut parallèlement au champ magnétique principal B. Une petite composante oscillante du champ magnétique est perpendiculaire à ce champ et c'est elle qui va provoquer les basculements du spin du proton. © Alan Stonebraker

Plus généralement, cela fait des dizaines d’années que l’on sait que des mesures très précises des moments dipolaires et des moments magnétiques pour des particules élémentaires pourraient se révéler riches d’informations pour de la physique fondamentale au-delà du modèle standard. On pourrait ainsi découvrir les raisons de l’absence d’antimatière à l’échelle cosmologique, la nature de la matière noire ou encore que la théorie de la relativité restreinte n’est pas toujours valable avec une violation de l’invariance CPT.

Le piège à ions du prix Nobel Hans Dehmelt
C’est pour cela qu'ont été conçues des expériences avec des pièges de Penning pour étudier les propriétés d’un seul électron placé dans des champs magnétiques et électriques. Les mesures du moment magnétique de l’électron ont été faites avec de tels pièges. On pourrait penser que mesurer le moment magnétique d’un proton serait tout aussi facile. Mais ce dernier est environ 660 fois plus faible que celui d’un électron. S'il est établi depuis longtemps que les protons possèdent effectivement un moment magnétique (que nous mesurons), puisque c’est à la base du fonctionnement de l’imagerie RMN, jusqu’à présent aucune mesure directe précise n’a été faite pour un proton individuel.

Les physiciens de l’Institut de physique Johannes Gutenberg à Mainz en Allemagne, avec leurs collègues des instituts Helmholtz et Max Planck, viennent de réussir une expérience représentant une étape importante vers la mesure du moment magnétique d’un proton. Pour cela, ils ont à nouveau considéré un piège de Penning dans lequel un proton individuel oscille axialement autour du champ magnétique central du piège. Cette oscillation se fait à une fréquence donnée qui est différente selon que le spin du proton est orienté dans un sens ou dans l’autre, parallèlement au champ magnétique. Rappelons que le spin du proton peut se voir comme un moment cinétique de rotation sur lui-même du proton, à la façon d’une toupie.

En ordonnée, on voit la probabilité de basculement du spin du proton (spin flip) et en abscisse, la fréquence d'oscillation du champ magnétique. La courbe continue représente la courbe théorique et les points noirs sont les points expérimentaux avec les barres d'erreurs comme il se doit dans une expérience de physique. © S. Ulmer et al.

En exerçant un champ magnétique de faible intensité, variable dans le temps à une fréquence ajustable et perpendiculaire au champ magnétique principal comme on peut le voir sur le premier schéma ci-dessus, il est possible de provoquer un basculement de l’orientation du spin. Ce basculement est régit par une loi de probabilité (comme toujours en mécanique quantique) et il se produit essentiellement à une fréquence donnée. Mesurer ce basculement de spin est une étape importante d’une future expérience qui reste à réaliser. Cette première étape, expliquée dans un article publié sur Arxiv (donné en lien ci-dessous), les chercheurs allemands sont donc parvenus à la réaliser.

Un désaccord entre les calculs théoriques pour le moment magnétique du proton et l’expérience serait bien sûr, s'il est réel, une fenêtre sur de la nouvelle physique. Mais il serait bien plus intéressant encore de réaliser l’expérience avec des antiprotons individuels et de découvrir que son moment magnétique n’est pas celui d’un proton. Un tel résultat ébranlerait fortement les fondements de la relativité restreinte à cause du théorème CPT et serait une clé pour résoudre l’énigme de l'antimatière cosmologique.

Une photo du piège de Penning utilisé par les chercheurs pour faire basculer le spin d'un seul proton. © Holger Kracke

*Observation of Spin Flips with a Single Trapped Proton

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/vers-une-premiere-mesure-du-moment-magnetique-de-lantiproton_31036/

Les bols chantants tibétains sont bien connus de tous ceux qui s’intéressent à la culture tibétaine et au bouddhisme. Remplis d’eau, ils permettent de produire un curieux phénomène hydroacoustique, déjà décrit par Michael Faraday. Le comportement de l’eau dans ces bols vient d’être étudié à l’aide d’une caméra ultrarapide.

La physique des ondes, fascinante, est riche d’une grande variété de phénomènes. On peut même dire qu’elle est au cœur de presque toute la physique, et cela au moins pour deux raisons. La première est que le concept de champ, qu’il soit classique ou quantique, domine quasiment toute la physique. La seconde est que la dynamique de ces champs dans l’espace et le temps se fait justement à l’aide de propagations d’ondes.

C’est sans doute celles à la surface ou à l’intérieur des liquides qui permet d’illustrer toute la complexité des phénomènes ondulatoires, de sorte qu’il est possible de comprendre bien des branches de la physique en s’aidant de modèles issus de l’hydrodynamique. On sait par exemple que John Wheeler a fait grand usage des analogies entre le comportement dynamique de l’espace-temps et celui de l’eau.

Le concept de champ est largement issu initialement des travaux de Michael Faraday en électricité et surtout en magnétisme. Or, il se trouve qu’en 1831, le grand physicien s’était penché sur le comportement d’un liquide dans un récipient dont les parois étaient soumises à des excitations vibratoires. Au-delà d’une certaine fréquence, la surface plane du liquide cesse de l’être et exhibe diverses structures pouvant être périodiques. Il s’agit d’un phénomène non linéaire, comme dans le cas des fameuses vagues scélérates. On parle alors d’ondes de Faraday à la surface de ce liquide et plus généralement d’instabilité de Faraday.

Dans le cas des fameux bols chantant tibétains, on peut même voir l’apparition de ce qui semble être un état d’ébullition de l’eau.

Mais qu'est-ce qu'un bol tibétain ?
Il s’agit généralement d’un bol formé d’un alliage de bronze contenant au total sept métaux comme l’argent, l’étain, le mercure, l’or, le cuivre, le fer et le plomb. Chacun de ces métaux symboliserait des planètes du Système solaire à moins qu’il ne s’agisse des sept centres d’énergie que les traditions indiennes et bouddhiques situent à divers endroits dans le corps humain, les chakras. Ces bols ont donc une fonction ésotérique dans ces civilisations et sont associés à diverses pratiques chamaniques ou de méditation, essentiellement dans les régions himalayennes (Tibet, Népal, Bhoutan, Ladakh…) et le nord de l'Inde.

Toujours est-il qu’en tournant lentement une mailloche (bâton en bois, parfois recouvert de cuir ou de caoutchouc) sur le bord extérieur ou intérieur du bol rempli d’eau à diverses hauteurs, on génère des vibrations dans le bol qui se met à émettre des sons harmonieux. Passé une certaine fréquence, la surface de l’eau s’agite et se brise même en gouttes qui semblent danser et léviter au-dessus du liquide. Il s’agit d’un excellent exemple d’instabilité de Faraday.

Des chercheurs de l’Université de Liège et du mythique Massachusetts Institute of Technology, là où enseigne Walter H.G. Lewin, ont décidé d’en apprendre un peu plus sur la formation de ces gouttes par instabilité Faraday. Pour cela ils ont filmé le comportement de l’eau dans un bol tibétain à l’aide d’une caméra ultrarapide. De cette manière, des observations qualitatives et des mesures quantitatives ont pu être faites. Il s’agissait de trouver des lois mathématiques concernant la formation, l’éjection et l’accélération des gouttes lors de leur danse au-dessus de la surface de l’eau.

Les chercheurs considèrent qu’ils ont acquis de cette façon une bonne compréhension de ce phénomène et ont même publié un article (donné en lien ci-dessous) sur ce sujet. Ils veulent maintenant étudier les changements qui se produiraient en modifiant la composition du liquide et celle du bol.

Ce genre d’étude n’a pas qu’un intérêt intrinsèque, il devrait permettre de mieux comprendre des dispositifs produisant des gouttelettes dans diverses situations industrielles.

Un bol tibétain avec sa mailloche, un bâton en bois, parfois recouvert de cuir ou de caoutchouc. © 2007 Tibetan Soul

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/en-video-la-physique-de-leau-dansante-des-bols-tibetains_31206/

Lors d’un symposium sur l’utilisation des réactions de fusion, un ingénieur de la Nasa a exposé les principes d’un nouveau type de propulsion basée sur la fusion aneutronique du bore. Selon lui, il serait possible d’obtenir ainsi des moteurs de fusée des dizaines de fois plus efficaces que les meilleurs moteurs ioniques actuels.

On doit à Constantin Tsiolkovski une célèbre équation indiquant la vitesse que peut atteindre une fusée en fonction du logarithme du rapport de sa masse initiale sur sa masse finale et proportionnelle à la vitesse d’éjection des gaz. On peut ainsi constater que si l’on disposait d’un moteur à photons, il suffirait de seulement 10% de la masse d’un vaisseau spatial pour atteindre environ 10% de la vitesse de la lumière. Ceci est un exemple d’une règle générale: plus la vitesse d’éjection de la matière d’un réacteur de fusée est importante, plus il est possible d’atteindre de grandes vitesses avec peu de carburant.

Il faut aussi tenir compte de l’énergie disponible par unité de masse et utilisable par un moteur pour éjecter de la matière à grande vitesse. Si l’on veut atteindre Mars en quelques semaines seulement, ou Alpha du Centaure en moins d’un siècle, il est donc nécessaire de disposer du moteur adéquat.

Les réactions de fusion libérant beaucoup d’énergie, il semble logique de les envisager soit pour produire l’électricité utilisée dans un moteur ionique soit sous forme d’explosion thermonucléaire propulsant directement un vaiseau. Un bon exemple est le fameux projet Daedalus du BIS, autrefois présidé par Arthur Clarke. Malheureusement, le moteur du projet Daedalus utilise une réaction de fusion du deutérium avec le tritium, la même que celle du projet Iter. Or, le tritium est très rare sur Terre et la réaction de fusion s’accompagne d’un flux de neutrons à hautes énergies posant de multiples problèmes.

Dans le cas d’un moteur de fusée destiné, non au lancement mais au voyage interplanétaire, John J. Chapman pense avoir une solution. Il vient de l’exposer lors du IEEE Symposium on Fusion Engineering à Chicago. Cet ingénieur de la Nasa propose d’utiliser du bore, un élément facile à trouver sur Terre, et de s’en servir pour déclencher une réaction de fusion aneutronique. Pour cela, il faut disposer d’une source d’impulsions laser.

Le schéma du réacteur à fusion aneutronique utilisant du bore (boron en anglais) proposé par Chapman. © Nasa Langley Research Center

Une bonne efficacité... sur le papier
On commence par envoyer sur une cible de 20cm de diamètre un faisceau délivrant une puissance par unité de surface de 2x10¹⁸ watts par centimètre carré. La cible elle-même est constituée d’une première couche métallique conductrice de 5 à 10 micromètres. Le champ électrique de l’impulsion laser ionise d’abord les ions de la couche métallique, laquelle explose sous l’action de la répulsion électrostatique entre les noyaux et produit du même coup un flux de protons en direction de la seconde couche constituée de bore 11.

C’est alors que se produit une réaction de fusion des protons avec les noyaux de bore donnant des noyaux de carbone excités qui se désintègrent en noyaux d’hélium et de béryllium. Or, le noyau de béryllium ainsi produit est lui-même instable et se désintègre en donnant deux noyaux d’hélium. Le bilan final de la réaction est la production de trois noyaux d’hélium animés d’une énergie cinétique de 2,9 MeV et qui sont éjectés à grande vitesse.

Selon les calculs de Chapman, on obtient ainsi un système de propulsion quarante fois plus efficace que le meilleur des systèmes de propulsion ionique dont dispose actuellement l’Humanité et ce d’autant plus que chaque impulsion du laser devrait générer environ 100.000 particules alpha.

Comme le reconnaît lui-même l'ingénieur, il ne s'agit encore que de quelques idées explorées par le calcul. Il faudrait probablement quelques dizaines d'années d'études avant de savoir si ce type de propulsion est vraiment possible et avantageux...

Le schéma de la réaction de fusion aneutronique avec du bore (boron). © Nasa Langley Research Center

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/la-fusion-aneutronique-propulsera-t-elle-un-jour-les-engins-spatiaux_31214/

Quelles sont les sources de chaleur qui alimentent le moteur thermique de la Terre ? La moitié au moins provient de la désintégration radioactive d’isotopes, selon les mesures effectuées sur le flux de géoneutrinos à l’aide des détecteurs KamLand et Borexino.

Comme aimaient à le dire Katia et Maurice Krafft, la Terre est une planète vivante. Avec la tectonique des plaques qui l’anime, océans et continents changent sans cesse à l’échelle du million d’années. Les volcans, comme les éruptions de l'Eyjafjöll nous l’ont rappelé récemment, sont les manifestations les plus claires et les plus spectaculaires de la vitalité de notre planète. Mais d’où provient l’énergie thermique qui alimente dérive des continents et éruptions volcaniques ?

Depuis les travaux de Pierre et Marie Curie et surtout Ernest Rutherford, nous savons que la désintégration radioactive de certains éléments dégage de la chaleur. Les travaux des géochimistes nous ont appris aussi que les roches contenaient de tels éléments. En extrapolant à la Terre entière les mesures des abondances de ces éléments, et en se basant sur les modèles minéralogiques de son intérieur comme le Bulk silicate Earth (BSE), il est possible d’en déduire la quantité de chaleur libérée à l’intérieur de notre planète et son flux en surface.

Ce flux mesuré est de 44 térawatts et il est supérieur à celui déduit de la quantité d’éléments radioactifs que l’on estime contenue à l’intérieur de notre planète. Comment expliquer ce désaccord ?

La cosmogonie à la rescousse de la géophysique
Une réponse a été trouvée il y a longtemps et elle fait intervenir des considérations de cosmogonie et de cosmochimie. Il faut pour cela remonter à la formation du Système solaire.

L’étude des météorites et des cratères lunaires nous a permis de construire un scénario de formation des planètes telluriques. Nous savons que la Terre s’est ainsi formée il y a environ 4,5 milliards d’années par accrétion de planétésimaux et de météorites. La composition des météorites étant connue, on peut estimer la quantité d’éléments radioactifs laissée en héritage à la Terre par le processus d’accrétion principal qui a duré moins de 100 millions d’années.

Jointes aux mesures de roches terrestres et aux données de la géophysique, on en déduit que ce sont les noyaux d’uranium 238 et de thorium 232 qui sont les sources principales de chaleur sous forme de désintégrations radioactives dans lesquelles un neutron se désintègre en proton, avec émission d’un électron et d’un antineutrino. Ces éléments ne sont pas sidérophiles, c'est-à-dire qu’ils n’aiment pas s’associer à des atomes de fer dans différents processus géochimiques conduisant à la formation de roches. On ne les trouvera donc pas dans le noyau de la Terre mais bien dans le manteau et la croûte terrestre.

À l'Hadéen, le bombardement de la Terre par des météorites était encore intense. © Fahad Sulehria

Si les météorites et les planétésimaux ont apporté des éléments radioactifs, leur chute dans le champ de gravitation de la prototerre a converti de l’énergie gravitationnelle en énergie thermique lors de leurs impacts à la surface de la planète. Cette seule source d’énergie est suffisante pour provoquer la formation d’un véritable océan de magma recouvrant la Terre à l’époque infernale de l’Hadéen.

Cette chaleur n’a pas pu partir complètement dans l’espace sous forme de rayonnement lors du refroidissement de la croûte terrestre. Les calculs montrent alors que l’on peut s’attendre à ce que la moitié environ de la chaleur contenue dans la Terre soit en fait de la chaleur résiduelle de ce processus d’accrétion. L’autre moitié serait le résultat de la désintégration de l’uranium 238 et du thorium 232, avec en troisième position une faible fraction provenant du potassium 40.

Mais tout cela n’était que théorique, comment en être sûr ?

Un flux de particules d'antimatière
C’est la physique des particules qui vient de donner la réponse à l’aide de détecteurs initialement construits pour mesurer les oscillations de neutrinos. Il s’agit de KamLand (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) et Borexino.

KamLAND, situé au Japon, reçoit un flux important d’antineutrinos en provenance de plus de cinquante réacteurs nucléaires. Le signal du flux des géoneutrinos est donc noyé dans un bruit de fond et les résultats de premières observations, en 2005, n’étaient pas concluants. L’année dernière, les géophysiciens des neutrinos avaient annoncé avoir fini par détecter ce flux avec Borexino. Aujourd’hui ceux de KamLand reviennent sur le devant de la scène en publiant dans un article de Nature Geoscience, donné en lien ci-dessous, les résultats de leurs dernières mesures et analyses.

Cette fois, le signal est plus clair au-dessus du bruit de fond des centrales nucléaires. Il en résulte qu’environ 20 terawatts viennent des isotopes d’uranium 238, de thorium 232 et de potassium 40 avec 3 térawatts provenant de la désintégration d’autres isotopes. C’est plus que dans les modèles BSE envisagés mais cela reste bien du même ordre de grandeur. Il faut en conclure que les 21 térawatts restants proviennent de la réserve de chaleur primitive laissée par la formation de la Terre.

Un dessin des composants du détecteur de KamLand. Le ballon est rempli de 1.000 tonnes de liquide scintillant et est entouré par 1.879 photomultiplicateurs montés sur une sphère en acier. © Lawrence Berkeley National Laboratory

* Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/la-radioactivite-nexplique-que-la-moitie-de-la-chaleur-de-la-terre_31486/

Avec un peu d’astuce et peu de moyens, on peut encore faire des découvertes remarquables dans le domaine de la physique des ondes se propageant dans un fluide. C’est ce que viennent de prouver des chercheurs de l’université Nice-Sophia Antipolis en produisant des ondes solitaires à la surface de l’eau, jamais observées jusqu’à présent.

La physique des fluides est particulièrement riche, en particulier dans le domaine de la propagation des ondes. Cela est en partie dû au fait que l’on s’y retrouve confronté à des équations non linéaires comme celles de Navier-Stokes. Malheureusement, ces équations sont difficiles à résoudre et on cherche généralement des situations physiques où des approximations linéaires sont possibles. Lorsque cela n’est pas le cas, une solution analytique est en général impossible à trouver et il faut en passer par des simulations numériques sur ordinateur, ou faire des expériences en filmant les réactions avec des caméras ultrarapides par exemple.

C’est précisément ce qu’ont fait Jean Rajchenbach, Alphonse Leroux, et Didier Clamond à l’université de Nice-Sophia Antipolis.

Ces physiciens ont réalisé une expérience simple en cherchant à produire des ondes de Faraday. Ils ont pour cela utilisé une cellule de Hele-Shaw qui consiste en deux plaques de verre très rapprochées l'une de l'autre entre lesquelles on injecte un ou plusieurs fluides. Ce système est utilisé comme modèle bidimensionnel d'un milieu poreux. Dans le cas présent, les plaques dont les côtés faisaient environ 30cm étaient séparées par seulement 1,5mm. Entre les deux, de l’eau sur une hauteur de 5cm était présente.

La cellule a ensuite été posée sur un système mécanique vibrant verticalement et dont on pouvait contrôler les fréquences et les amplitudes de mouvements. Les résultats ont été ceux que montrent ces deux animations.

On voit clairement apparaître deux types d’ondes stationnaires avec deux symétries différentes. La première est dite paire et la seconde impaire. Traçons en effet un axe vertical représentant un miroir et séparant en deux la forme que prend la surface de l’eau. Un axe horizontal servira d’axe des abscisses, x, pour décrire la hauteur f(x) de la surface de l’eau lorsqu’elle n’est pas au repos. Si la première image montre une symétrie en miroir, la seconde non. On voit qu’une fonction paire, f(x)=f(-x), décrit la hauteur de la surface d’eau dans le premier cas et une fonction impaire, f(-x)=-f(x) décrit approximativement le second. La différence serait due au fait qu’une sonde a été utilisée pour perturber brièvement la surface de l’eau.

De nouveaux solitons pour la physique
Ces ondes stationnaires ne sont pas dissipatives car il s’agit, on l’a dit, d’ondes de Faraday non linéaires. Le second type d’onde n’a semble-t-il jamais été observé auparavant. Il s’agit en tout cas de solitons, tout comme ceux que l’on sait être décrits par une célèbre équation non linéaire, l'équation de Korteweg de Vries, mais d'une classe différente.

Ce genre d’étude sur des ondes non linéaires peut toujours être potentiellement riche de nouvelles découvertes en physique. On peut ainsi penser à la propagation de l’influx nerveux, le transfert de magma à l’intérieur de la Terre mais aussi aux vagues scélérates et aux tsunamis.

Les ondes de Faraday solitaires observées par les chercheurs. © Jean Rajchenbach et al., American Physical Society

* New standing solitary waves in water
Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/de-nouvelles-ondes-solitaires-dans-leau_31512/

Le Tevatron cessera bientôt de produire des collisions entre protons et antiprotons. Mais avant de tirer sa révérence, il vient de vérifier une prédiction du modèle standard. Cousin du neutron et presque six fois plus lourd que lui, le baryon Xi neutre contenant un quark b existe bel et bien !

Nous savons aujourd’hui qu’il existe six saveurs de quarks dans la nature, c'est-à-dire six quarks qui diffèrent les uns des autres par les valeurs de leurs masses et de leurs charges, dont deux forment les nucléons. Initialement, quand leur existence a été proposée au début des années 1960 par des chercheurs comme Murray Gell-Mann, George Zweig et Yuval Ne'eman, il n’y en avait que trois, à savoir les quarks up (u), down (d) et strange (s). De plus beaucoup les considéraient comme de simples artifices mathématiques, ne pouvant être aussi réels qu’un électron ou un neutrino. D’ailleurs, si les hadrons connus à l’époque, c'est-à-dire les nucléons, les mésons et les hypérons, étaient bien composés de ces particules plus élémentaires, on devait pouvoir les observer à l’état libre en faisant entrer en collision des protons, avec suffisamment d’énergie.

À la fin des années 1960, des cosmologistes comme Yakov Zel’dovich avaient même calculé que si les quarks avaient existé à l’état libre dans les premiers millionièmes de seconde de l’existence de l’univers, certains devraient encore exister comme tel aujourd’hui et devraient même être plus abondants que des atomes d’or. Le scepticisme était de rigueur, même si une particule prédite par le modèle des quarks, l'Ω-, avait bien été observée dès les années 1960. Des vidéos historiques, avec les commentaires sur cette découverte de Richard Feynman et Murray Gell-Mann, sont disponibles sur YouTube.

Un schéma montrant des combinaisons à trois quarks. Les baryons avec deux quarks b (dans la partie violette) manquent toujours à l'appel. Le Xi neutre avec quarks u, s et b a finalement été détecté. Tous les baryons laissés en cercles blancs sont ceux qui n'ont pas été découverts. © Fermilab

Il a fallu les observations en accélérateurs du début des années 1970 et la découverte de la théorie du confinement des quarks pour que la communauté scientifique admette leur existence. Ces mêmes années, la théorie décrivant les interactions fortes entre ces quarks, la chromodynamique quantique, passait des tests décisifs. La théorie électrofaible ne tarda pas à s’imposer aussi, liant quarks et leptons dans différentes réactions entres particules, mais au prix d’une multiplication par deux du nombre de quarks. Apparaissaient alors dans la théorie, les quarks beau (b), charmé (c) et top (t).

Des particules presque insaisissables
Le quark charmé a été découvert par Burton Richter au Slac et par Samuel Ting au Laboratoire national de Brookhaven, en 1974. Les quarks beau et top furent directement observés au Tevatron (Fermilab), respectivement en 1977 et 1994. Ces six saveurs de quarks peuvent se combiner par deux ou par trois et il en résulte que plusieurs dizaines de particules différentes sont possibles sur cette base. Ce sont donc les hadrons.

Les détails des réactions de désintégration du nouveau baryon. Les produits finaux suite à une cascade de désintégrations sont des protons p et des mésons pi. © Fermilab

En dehors des nucléons, les hadrons sont très, très instables et ne vivent que d’infimes fractions de seconde. Tout comme les atomes, ils possèdent des niveaux d’excitation, autant dire que c’est un véritable déluge de particules, toutes différentes les unes des autres, qui apparaît lorsque l’on réalise des collisions à hautes énergies entre protons et antiprotons.

Identifier celles qui sont les plus difficiles à produire et les plus instables est donc loin d'être simple et c’est pourquoi plusieurs hadrons manquent à l’appel. C’était le cas du , un baryon formé d’un quark u, d’un quark s et d’un quark b, finalement identifié aujourd'hui par le détecteur CDF, le même dont on avait pensé il y a quelques mois qu’il avait peut-être observé le mythique boson Z'.

Le détecteur CDF du Tevatron. © Fermilab

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/un-cousin-du-neutron-decouvert-au-fermilab-le-baryon-xi_31542/

Il ne suffit pas de savoir capter l’énergie solaire pour en faire l’énergie du futur. Il faut pouvoir la stocker et la rendre disponible à volonté. Un groupe de chercheurs du MIT aurait trouvé un nouveau principe de stockage efficace et peu coûteux avec un matériau basé sur des nanotubes de carbone. Il ne s'agit pour le moment que de calculs.

Même si le Japon étudie de plus en plus sérieusement le concept de station spatiale solaire, cela n’est sûrement pas la voie que pourra exploiter l’ensemble de l’humanité dans moins de cinquante ans pour exploiter massivement l’énergie du soleil. Les dispositifs permettant de capter l’énergie solaire seront sans doute de plus en plus performants mais comme le soleil ne brille pas partout ni en permanence, il faut trouver le moyen de stocker durablement et efficacement l’énergie solaire, par exemple sous forme d’hydrogène.

Il y a quelque temps, les chercheurs du MIT avaient trouvé une intéressante molécule qui changeait de forme sous l’action du rayonnement solaire. De cette manière, de l’énergie pouvait être stockée longtemps sans perte et il suffisait d’un catalyseur pour la libérer avec un dégagement de chaleur. La molécule était du diruthénium de fulvalène.

Malheureusement, le ruthénium est un élément rare et coûteux.

Une transition quantique
Identifié et isolé en 1844 par Karl Karlovich Klaus, un chimiste et naturaliste russe, il fait partie des métaux du groupe du platine (dits métaux de transition). Sa production mondiale n’est que de 12t par an. Autant dire que cette molécule n’avait pas d’avenir. Mais les travaux des chercheurs du MIT, utilisant la mécanique quantique, leur ont permis de comprendre ce qui rendait cette molécule efficace.

Le principe du stockage de l'énergie du rayonnement solaire est expliqué sur ce schéma. 1, la molécule absorbe du rayonnement, 2 elle change de forme en conséquence en traversant une barrière d'énergie séparant deux états quantiques (3). Elle reste dans un état excité indéfiniment en attendant une action extérieure (4), par exemple un flash de lumière ou un léger chauffage. Elle retourne alors à sa forme initiale (6) en libérant de la chaleur (5). © Grossman-Kolpak

Cela les a aiguillés du côté des nanosciences et plus particulièrement des nanotubes de carbone. En fixant des molécules d’azobenzène, un composé chimique comprenant deux anneaux phényls liés par un double pont N=N, sur les nanotubes de carbone, le résultat devrait être spectaculaire si l'ont en croit les calculs des chercheurs.

Non seulement le matériau obtenu serait bien plus économe à fabriquer mais la densité de l’énergie stockée serait dix mille fois plus grande ! Ce qui le rend comparable à ce que l’on sait faire avec des batteries au lithium. De nouveau, l’énergie du rayonnement solaire est stockée indéfiniment grâce à un changement de forme de la structure moléculaire. On peut ensuite la libérer sous forme de chaleur.

Il faut bien sûr associer à ce matériau des dispositifs capables de convertir l’énergie thermique sous forme d’énergie électrique. Toujours est-il que les chercheurs savent probablement maintenant dans quelles directions chercher diverses molécules capables de jouer ce rôle de batterie thermochimique. Le processus de fabrication lui-même est basé sur la nanotechnologie. Reste à vérifier expérimentalement que les calculs des chercheurs sont justes.

Un nanotube de carbone entouré de molécules d'azobenzène. © Grossman Kolpak

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/chimie-1/d/des-nanotubes-de-carbone-pour-stocker-la-chaleur-du-soleil_31582/

Du 21 au 27 juillet 2011 se tient à Grenoble une grande conférence internationale sur la physique des hautes énergies. On y présente, entre autres, les derniers résultats de la chasse au boson de Higgs. Celui-ci n’a toujours pas été découvert mais se laisse peut-être timidement entrevoir. On en sait cependant plus sur sa masse… s’il existe.

Son père principal, Peter Higgs, est sûr de sa découverte au LHC alors que Stephen Hawking a parié qu’on ne l’observerait pas. Le boson de Higgs-Englert-Brout est en tout cas une pièce importante pour la cohérence du modèle standard des particules élémentaires. Comme il est expliqué dans une vidéo pédagogique (en anglais) du Fermilab, il doit être responsable des masses des particules de l’univers, que ce soit des électrons, des quarks ou des neutrinos.

Autant dire que tout le monde retenait son souffle au début de la Europhysics Conference on High Energy Physics 2011 qui se tient actuellement à Grenoble. Elle fait le point sur l’état des recherches en physique des hautes énergies avec des machines comme le LHC ou le Tevatron. les transparents des conférences, que l’on peut suivre en direct, étant en ligne, les commentaires des experts sont disponibles depuis quelques jours sur la blogosphère, par exemple sur le blog du physicien Adam Falkowski.

Une image montrant plusieurs particules produites par les collisions de protons dans le détecteur CMS en mai 2011. Le boson de Higgs pourrait trahir sa présence en se désintégrant en donnant deux bosons Z, lesquels peuvent se désintégrer en donnant des leptons. De fait, on voit ici un événement qui pourrait être la signature de la désintégration d'un boson de Higgs. Les deux traces épaisses en rouge sont celles de deux électrons provenant de la désintégration d'un Z et les deux traces rouges minces sont celles laissées par deux muons provenant de la désintégration d'un autre Z. © Cern

Le Tevatron ne trouvera pas le boson de Higgs
Pour faire court, on ne sait toujours pas si Robert Brout est mort trop tôt pour se voir attribuer un prix Nobel de physique, car ni Atlas, ni CMS n’ont vu le boson de Higgs.

En revanche, il semble bien que les deux détecteurs du LHC aient définitivement pris le dessus sur ceux du Tevatron en raison, principalement, de la plus grande luminosité des faisceaux du LHC. Si le boson de Higgs existe, sa masse, que l’on savait déjà supérieure à 114 GeV depuis presque vingt ans grâce au LEP, ne peut pas être comprise entre 149 GeV et 206 GeV ainsi qu’entre 300 GeV et 440 GeV selon les observations de CMS.

D'après les expériences réalisées avec Atlas, les bornes sont 155-190 GeV et 295-450 GeV. Les deux détecteurs voient cependant de timides indications de la présence du Higgs dans l’intervalle d’énergies 120-145 GeV. On devrait en savoir plus dans les jours qui viennent avec une annonce des chercheurs du Tevatron qui devraient eux aussi préciser l'intervalle de masse où se trouve peut-être le boson de Higgs.

Une réponse à la fin de l'année 2012
Toujours est-il qu’une conférence de presse vient de se tenir à Grenoble ce 25 juillet 2011. À la question de savoir s’il était désappointé qu’aucune trace d’une nouvelle physique ni d’un signal clair de l’existence du Higgs ne se soit encore montrée au LHC, Rolf Heuer, le directeur général du Cern a répondu: « Pas du tout ! ». Pour lui, l’exploration d’un nouveau territoire commence juste et si parfois des jeunes théoriciens et expérimentateurs font part d’une certaine déception, il leur conseille, fort de son expérience, d’apprendre à être un peu plus patient...

Il est vrai que les nouvelles bornes sur la masse du boson de Higgs font qu’il est probablement léger et dans un intervalle d’énergie entre 115 GeV et 140 GeV, là où, paradoxalement, il est le plus difficile à trouver. Mais Rolf Heuer s'attend au cours de l’année 2012 à un progrès d’un facteur dix dans la quantité de données accumulée. Selon ses estimations, à la fin de l’année prochaine, on saura alors si oui ou non le boson de Higgs existe.

Un bilan plus complet sur l’ensemble des recherches en physique des particules avec le LHC étant bientôt disponible, nous aurons l’occasion d’y revenir.

Peter Higgs devant le détecteur CMS. © Cern, Maximilien Brice

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/dernieres-nouvelles-du-boson-de-higgs-au-lhc_31608/

Selon certains, la publication d’un article par Shanchao Zhang et ses collègues physiciens de la Hong Kong University of Science and Technology prouve qu’il n’est pas possible de remonter dans le temps. L’article ne traite absolument pas de cette question et les fans d’Emmett Brown peuvent se rassurer...

« Impossible voyage dans le temps » titrent actuellement de nombreux médias après la publication d'un article de l'université de Hong Kong. Ce serait la conclusion qu'il faudrait tirer du fait qu'un photon ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière dans le vide. Le résultat est certes intéressant... mais il ne constitue pas vraiment une surprise pour les physiciens. Surtout, Zhang et ses collègues ne parlent absolument pas de possibles implications pour le voyage dans le temps !

Le contexte: deux décennies de discussions
Voilà un moment que les physiciens examinent la question d’un possible voyage d’objets ou d’informations à une vitesse supraluminique dans le cadre de la physique connue. En 1992, le physicien Günter Nimtz, que l'on peut voir dans cette vidéo, avait même annoncé avoir observé la propagation de paquets d’ondes électromagnétiques à une vitesse supérieure à la lumière dans certains milieux matériels.

Les faits expérimentaux étaient indiscutables, un paquet d’ondes semblait bel et bien voyager plus vite que la lumière. Pour expliquer ce fait, Nimtz faisait appel au phénomène de l’effet tunnel quantique. Mais la plupart des physiciens n’ont pas été convaincus...

Selon eux, si quelque chose se propageait effectivement plus vite que la lumière, le phénomène ne permettrait pas de transmettre la moindre information, par exemple un message en morse, plus vite que la lumière. Il n'y avait pas de Violation de l'Invariance de Lorentz, pas plus qu'en gravitation quantique. Le front de l’onde électromagnétique, le précurseur optique selon la terminologie employée, se déplaçait toujours, au maximum, à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce phénomène, avec propagation d'ondes dans un milieu dispersif, avait été analysé il y a longtemps par Sommerfeld et Brillouin.

Décryptage: un photon unique ne viole pas l'Invariance de Lorentz
Comme il a souvent été affirmé que s'il existait un moyen de faire voyager un objet plus vite que la lumière, cela permettrait à cet objet de remonter dans le passé de certains observateurs, quelques spéculations concernant la possibilité de voyager dans le passé à l’aide des effets quantiques (par exemple) avaient surgit dans l’esprit de certains.

Si la relativité restreinte et la causalité semblaient bel et bien inviolées dans les expériences portant sur des effets superluminiques mettant en jeu des ondes électromagnétiques, peut-être en serait-il tout autrement avec des quanta de lumière individuels ?

Les expériences de Shanchao Zhang et ses collègues physiciens de la Hong Kong University of Science and Technology prouvent qu’il n’en est rien. Un photon individuel, quel que soit le milieu dans lequel il se propage dans un laboratoire terrestre, ne va pas plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide.

Cela ne prouve strictement rien quant à la possibilité d’utiliser un jour les lois de la physique (par exemple avec de nouvelles particules) pour transmettre dans le passé un message ou y faire voyager un objet. Rien ne semble vraiment empêcher la DeLorean DMC-12 d’Emmett Brown d’ouvrir un trou de ver pour aller rendre visite à Albert Einstein et Kurt Gödel, si ce n’est d’avoir une source d’énergie exotique suffisamment puissante...

*Optical Precursor of a Single Photon

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/buzz-un-photon-ne-peut-pas-remonter-le-temps-et-alors_31692/

Un groupe de chercheurs américains de l’University of Southern California a réussi à augmenter le temps de décohérence d’un système quantique à l’aide d’un champ magnétique. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour réaliser des ordinateurs quantiques plus performants.

• À lire, notre dossier sur l'ordinateur quantique >>

Les ordinateurs classiques font leurs calculs à l’aide de bits d’informations selon les règles de la physique classique. L’état élémentaire d’un circuit est soit 0 soit 1. Mais en utilisant des qubits d’informations, où l’état élémentaire d’un système quantique est à la fois 0 et 1, il est possible d’effectuer bien plus rapidement certains types de calculs. On sait déjà faire des ordinateurs quantiques mais leur capacité de calcul reste pour le moment très en dessous de celle de la plus modeste des calculatrices programmables de poche des années 1970.

La raison en est que des objets de grande taille, bien qu’ultimement soumis aux lois de la physique quantique gouvernant leurs atomes, se comportent comme des objets qui ne sont plus quantiques. C’est la raison pour laquelle, lors d’une expérience, le fameux chat de Schrödinger est toujours observé vivant ou mort et jamais vivant et mort. Intervient alors le phénomène dit de décohérence.

Si l’on veut avoir une vague idée du phénomène de décohérence et de son rôle limitant pour la construction d’un ordinateur quantique, on peut prendre comme analogie celle d’un château de cartes.

Pour réaliser un ordinateur quantique surpassant un ordinateur classique, il faut disposer d’un grand nombre de qubits. On peut se les représenter comme les éléments d’un château de cartes. Plus le château prend de la hauteur, plus il est instable et un petit courant d’air ou une petite vibration de la table suffit pour que tout le château s’écroule. En général, plus le château est grand, plus il a de risque de s’effondrer vite, à moins qu’on le place dans une chambre sous vide ou sur une table l’isolant des vibrations du sol par exemple.

L’entreprise est difficile et on doit généralement refroidir presque au zéro absolu les systèmes quantiques constitués de quelques atomes seulement pour les isoler suffisamment longtemps du bruit de fond ambiant généré par le reste de l’univers afin de pouvoir effectuer quelques timides calculs quantiques. Certains pensent même que l’entreprise est vouée à l'échec, jamais aucun ordinateur quantique écrasant par sa vitesse de calcul un superordinateur comme le Jaguar ne verra jamais le jour.

Un temps de décohérence mille fois plus long
Pour essayer de résoudre ce problème, des chercheurs s’intéressent aux aimants moléculaires. Il s’agit de molécules contenant des ions paramagnétiques et qui peuvent se comporter comme un aimant permanant macroscopique - un excellent système à la frontière du monde classique et quantique d’une certaine façon. En 2008, des chercheurs des universités de Grenoble, Bielefeld et Beer-Sheva avaient déjà montré (à l’occasion d’une publication dans Nature) que l’on devait pourvoir obtenir des effets de cohérence quantique prolongée avec des aimants moléculaires.

Aujourd’hui, et toujours dans Nature, des chercheurs de l’University of Southern California annoncent que leurs calculs sur l’augmentation du temps de cohérence dans une molécule magnétique bien connue, Fe8, se sont révélés justes expérimentalement.

Ils ont d’abord déterminé exactement l’influence des conditions de température et d’intensité d’un champ magnétique externe sur le temps de décohérence de cette molécule magnétique. L’objectif était de déterminer l’optimum qu’il était possible d’attendre puis de réaliser une expérience, et surtout de tester la théorie permettant d'expliquer une possible extension du temps de décohérence.

L'expérience a montré l'importance du champ magnétique dans la prolongation de l'état de cohérence quantique du système, en plein accord avec les calculs. Les résultats obtenus suggèrent qu'il est possible d'atteindre un temps de décohérence d’environ 500 microsecondes, augmentant d’un facteur proche de mille les résultats précédemment obtenus dans ce domaine de recherche.

* Tout sur le magnétisme moléculaire

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/ordinateur-quantique-limiter-la-decoherence-avec-un-champ-magnetique_31661/

Des physiciens japonais et allemands ont mesuré avec une extraordinaire précision la masse de l’antiproton. Leur but était de vérifier la validité de la théorie de la relativité restreinte et de tenter de résoudre l’énigme de l’antimatière cosmologique manquante.

• Découvrez l'énigmatique antimatière dans notre dossier >>

Dans le cadre de la physique actuelle, à des énergies inférieures à celles des collisions réalisées au Tevatron entre protons et antiprotons, tous les événements de l’univers observable sur Terre ne sont que des sortes de configurations ondulatoires d’un champ quantique relativiste. Mariant les lois de la mécanique quantique avec celles de la relativité restreinte, de tels champs décrivent complètement les électrons, les protons et les neutrons formant les atomes de nos corps, du Soleil et des planètes ardentes.

Un théorème mathématique concernant un champ quantique relativiste exige que ce champ doit respecter ce que l’on appelle l’invariance CPT. En clair, prenez n’importe quelle expérience de physique ou de chimie dans l’univers observable, refaites-la en remplaçant les particules de matière par de l’antimatière et inversement, prenez son image dans un miroir (ce qui inversera par exemple le sens du courant dans une bobine électrique) et renversez le sens des divers mouvements, comme si l’écoulement du temps était inversé, et vous ne verrez aucune différence.

Depuis des années, les physiciens cherchent des phénomènes qui violeraient l’invariance CPT. L’une des raisons motivant ces recherches est que cela pourrait expliquer pourquoi il n’y a quasiment pas d’antimatière dans l’univers, alors que matière et antimatière aurait du être créées en quantités égales au moment du Big Bang d’après les lois de la physique connues.

Au-delà de la relativité restreinte ?
Or, en 2002, le célèbre chercheur Oscar Greenberg, un des premiers à proposer l’existence de la charge de couleur pour les quarks, a démontré un théorème aux conséquences profondes en ce qui concerne la violation de l’invariance CPT. Selon le théorème de Greenberg, par exemple, une différence de masse entre un proton et un antiproton impliquerait automatiquement une Violation de l’Invariance de Lorentz, c'est-à-dire une violation des prédictions de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein !

Inutile de dire que les recherches portant sur la comparaison des masses des protons et des antiprotons sont devenues encore plus intéressantes. De fait, depuis plusieurs années, c’est ce qu’essaient de faire au Cern les physiciens de l’expérience Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons (Asacusa).

Les physiciens d'Asacusa devant leur machine. © Cern-Laurent Guiraud

Masaki Hori,Theodor W. Hänsch de l’Institut d’optique quantique Max Planck, viennent d’ailleurs de publier dans Nature, avec leurs collègues, un article faisant état des derniers résultats obtenus dans ce domaine. Leur conclusion: aucune différence n’est mesurable entre la masse d’un proton et celle d’un antiproton ! Aucun signe d’une violation de l’invariance CPT donc.

Pour réussir cette incroyable performance, les chercheurs ont commencé par obtenir des antiprotons lents en provenance de l’Antiproton Decelerator (AD) du Cern. En les faisant passer dans un milieu contenant de l’hélium, ils ont ensuite obtenu de l’hélium antiprotonique, c'est-à-dire des atomes d’hélium dans lesquels un des deux électrons en orbite autour de leur noyau a été remplacé par l’antiproton chargé négativement.

L'antiproton (p barre) s'approche de l'atome d'hélium et entre en collision avec un des électrons périphériques (dessins 1 et 2). Il l'éjecte (3) et le remplace (4) autour du noyau He++. Un atome d'hélium antiprotonique s'est donc formé. © Cern

L'antiproton est 1.836,1526736 fois plus lourd que l'électron
L’atome d’hélium est l’un des plus simples dans l’univers et l’hélium antiprotonique est bien plus aisé à produire que l’antihydrogène. On peut aussi le conserver bien plus longtemps pour faire diverses mesures. Or, les niveaux d’énergie dans un atome d’hélium antiprotonique ne sont pas les mêmes que dans un atome d’hélium. Dans les deux cas, ces niveaux sont calculables jusqu’à un certain point. On peut faire une mesure précise des transitions de l’antiproton dans un atome d’hélium antiprotonique sous l’effet d’un rayonnement. En comparant avec ce qui se passe dans un atome d’hélium, il devient possible de connaître avec une grande précision le rapport de la masse du proton et de l’antiproton.

Plus exactement, on obtient d’abord une détermination de la masse de l’antiproton par rapport à celle de l’électron. Comme le rapport de la masse du proton à celui de l’électron est mesuré avec une grande précision, on peut ensuite comparer les masses du proton et de l’antiproton.

L'évolution dans le temps de la mesure du rapport masse du proton/masse de l'électron. De 1985 à 2002, les barres d'erreurs (verticales) se réduisent considérablement. En 2006 le rapport masse de l'antiproton/masse de l'électron (en rouge) était déjà bien déterminé. © Stefan Meyer Institut

Toutefois, la mesure est difficile en ce que les atomes d’hélium antiprotonique sont en mouvement du fait de l’agitation thermique. La largeur des raies d’émission s’en trouve augmentée, diminuant à priori la précision des mesures.

Par rapport à une précédente détermination de la masse de l'antiproton en 2006, les chercheurs ont contourné l’obstacle en soumettant les atomes d’hélium antiprotonique à deux faisceaux laser finement ajustés. Cette méthode de spectroscopie laser à deux photons leur a permis de gagner en précision de 4 à 6 ordres de grandeurs ! Ainsi, le rapport de la masse de l’antiproton à celle de l’électron est connu avec une précision dépassant le milliardième.

« Nous avons mesuré la masse de l'antiproton relativement à celle de l'électron avec une précision de 10 chiffres, et nous avons trouvé exactement la même valeur que celle du proton, connue avec une précision similaire. Cela peut être considéré comme une confirmation du théorème CPT. Par ailleurs, nous avons appris que les antiprotons obéissent aux mêmes lois de l'optique quantique non linéaire que les particules normales, et nous pouvons utiliser des lasers pour les manipuler. La technique à deux photons devrait permettre d’atteindre une précision beaucoup plus élevée dans l'avenir, de sorte que, finalement, la masse antiproton pourrait être mieux connue que celle du proton », selon Masaki Hori.

Une vue d'artiste d'un antiproton en orbite dans un atome d'hélium soumis à un faisceau laser (à gauche). © Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching

* Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio
* Antiprotonic helium and CPT invariance

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/la-masse-de-lantiproton-mesuree-avec-une-precision-record_31709/

Les physiciens du solide avaient prédit il y a vingt ans l’existence d’états magnétiques bien particuliers au sein d'un réseau d’atomes en deux dimensions: un cristal de skyrmions magnétique. Un nouvel exemple de cette curiosité a été observé.

Il y a presque cinquante ans, avant que l’on ne découvre la théorie de la chromodynamique quantique, le grand théoricien britannique Tony Skyrme cherchait à mieux comprendre la nature des nucléons et des forces nucléaires fortes. On savait déjà que les protons et les neutrons étaient des fermions de spin demi-entier et qu’ils échangeaient des sortes de photons, le fameux boson de Yukawa de spin entier, le pion.

À la même époque, Heisenberg cherchait lui aussi à mieux comprendre les forces nucléaires mais il allait plus loin. Il considérait une équation de champ fondamental non linéaire basée sur un champ de fermions qui devait contenir toutes les particules de matière et de force connues à l’époque. Dans cette théorie unifiée, photons et gravitons étaient par exemple vus comme des paquets de fermions. Ceux-ci ayant un moment cinétique intrinsèque, un spin, de valeurs respectives 1 et 2, ils pouvaient effectivement être des états liés d’un nombre pair de fermions de spin ½.

Un modèle pour les nucléons
Skyrme suivait une approche plus modeste (il ne s’occupait que des baryons et des forces nucléaires) mais très similaire. Il considérait lui-aussi une équation non linéaire mais dont le champ fondamental était celui d’un boson de spin nul, le pion de Yukawa.

À première vue, l’idée semble absurde. Comment obtenir des particules de spin ½ à partir d’états composites de particules de spin nul ?

C’est là qu’intervient le caractère non linéaire de l’équation. De même que dans un fluide, lui aussi décrit par une équation non linéaire (celle de Navier Stokes), il peut se former des tourbillons stables avec un moment cinétique, on pouvait considérer protons et neutrons comme des sortes de tourbillons dans un fluide de pions. Ces configurations, qui rappellent celles des solitons, sont aujourd’hui appelées des skyrmions.

La découverte des quarks et de la théorie de la ChromoDynamique Quantique (QCD) a éclipsé le modèle de Skyrme des baryons (ironiquement, il apparaîtra plus tard comme une approximation des équations de la QCD). Mais quelques décennies plus tard, on s’est aperçu de son importance dans le domaine de la physique de la matière condensée.

Un exemple de skyrmion émergeant dans un réseau d'atomes magnétiques en deux dimensions plongés dans un champ magnétique B (en rouge). Les atomes sont comme des petits aimants dont l'orientation magnétique est donnée par les flèches en bleu. On voit une sorte de tourbillon local formé par un soliton topologique. Le terme topologique s'explique par le fait qu'il n'est pas possible de transformer par déformation continue la distribution de flèches considérée en une autre sans tourbillons. C'est la même chose avec une sphère qui ne peut pas donner par déformation continue un tore puisque ce dernier possède une discontinuité, un trou. De même un tore n'est pas topologiquement équivalent à un bretzel puisque lui possède au moins deux trous. © Alan Stonebraker

En soi, ce n’est pas vraiment une surprise, d’ailleurs, au moment même où il a été proposé, nombreux étaient les physiciens (tels Yoichiro Nambu) qui essayaient de comprendre les caractéristiques des hadrons et autres particules élémentaires en terme d’états collectifs non linéaires de particules plus fondamentales, à la façon de ce que l’on faisait déjà en physique du solide. Le boson de Higgs est d’ailleurs un sous-produit des travaux dans le domaine de la supraconductivité.

Un cristal de Skyrme
C’est dans le cadre de la théorie des milieux magnétiques que la théorie des skyrmions trouve aujourd’hui des illustrations intéressantes. Une publication dans Nature (donnée en lien ci-dessous) le montre bien. Des chercheurs des universités de Kiel et Hambourg s’étaient d’abord lancés dans l’investigation d’un certain type d’ordre magnétique à deux dimensions, sans rapport avec des skyrmions, dans une couche monoatomique de chrome déposée sur de l’iridium. La recherche, menée à l’aide d’un microscope à effet tunnel polarisé de spin, s’étant révélée infructueuse, les physiciens ont remplacé le chrome par du fer.

À leur surprise, un ordre magnétique inattendu est apparu. Modélisé à l’aide de calculs quantiques sur un supercalculateur, ils ont découvert qu’ils étaient en présence d’un cristal de Skyrme jamais observé jusqu’à présent.

En effet, si un réseau de skyrmions magnétiques avait déjà été observé il y a quelques années, il faisait intervenir des skyrmions formés d’un assez grand nombre d’atomes et il n’apparaissait que sous l’influence d’un champ magnétique. Dans le cas présent, l’élément du cristal de Skyrme en deux dimensions n’est formé que de quinze atomes et, surtout, l’ordre magnétique apparaît spontanément sans l’intervention d’un champ magnétique extérieur.

Cette découverte pourrait avoir des applications intéressantes dans le domaine de la spintronique.

Un schéma de la cellule élémentaire carrée d'un cristal de Skyrme formée de quinze atomes de fer. Les cônes colorés indiquent l'orientation du moment magnétique propre de l'atome. Chaque carré contient un skyrmion. © Université de Hambourg

* Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions
* The Skyrme Model for Baryons

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-skyrmion-un-cristal-de-tourbillons-magnetiques-existe-bien_32572/

Les calculs décrivant le flux de rayons cosmiques entrant en collision avec les noyaux de la haute atmosphère prédisent que des antiprotons doivent s’accumuler dans certaines parties de la Ceinture de Van Allen. Les observations du satellite russe équipé de l’expérience Pamela le confirment.

La découverte de la Ceinture de Van Allen s’est faite en 1958 grâce aux instruments du satellite Explorer 1. Cette ceinture de radiation est célèbre et l’on doit en tenir compte lorsque l’on construit des satellites, notamment parce qu’elle contient des électrons tueurs. Une région particulière de la magnétosphère associée à la Ceinture de Van Allen fait l’objet de l’attention des géophysiciens depuis longtemps. Il s’agit de l'Anomalie Magnétique de l'Atlantique Sud, Amas, SAA en anglais (South Atlantic Anomaly) qui est la partie interne de la Ceinture de Van Allen la plus proche de la surface de la Terre.

Les lobes de la Ceinture de Van Allen sont disposés symétriquement par rapport à l'axe du magnétisme terrestre, qui est décalé d'environ 11° par rapport à l'axe de rotation de la Terre. Comme cet axe magnétique est décalé d'environ 450km par rapport à l'axe de rotation, la Ceinture de Van Allen est plus proche de la Terre au niveau de la partie sud de l'Atlantique, et plus éloignée dans la partie nord du Pacifique.

Il en résulte que pour une altitude donnée, le niveau de radiations en provenance de l'espace est plus élevé dans cette région qu'en d'autres points du globe, ce qui perturbe fortement les instruments des satellites passant régulièrement dans l'Amas. Ainsi, le télescope spatial Hubble cesse ses observations lorsqu'il y pénètre et il faut tenir compte d’un signal parasite dans les capteurs CCD de COROT lorsqu’il fait de même.

Il y a plus grave lorsqu’il s’agit de vols habités, le niveau de radiations est dangereux. Ceci explique pourquoi la Station Spatiale Internationale a été équipée d'un blindage particulier pour supporter ces radiations.

Les instruments du Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (Pamela) sont en orbite à bord d'un satellite russe, de type Resurs-DK1. C'est une version modifiée du satellite de reconnaissance militaire Yantar-4KS1. DK est l'acronyme de Dmitry Kozlov, concepteur en chef du premier satellite de la classe Yantar-2K et Resurs signifie « ressources » en russe.

Des antiprotons piégés par les champs magnétiques
Tout comme RadioAstron, Pamela permet une collaboration internationale entre chercheurs et ses buts sont multiples. Le principal est sans doute de tenter de découvrir la nature exacte de la matière noire mais l'espoir est aussi celui d'une meilleure compréhension de la Ceinture de Van Allen.

Un groupe de chercheurs russes et italiens vient d'annoncer dans un article sur Arxiv (voir le lien ci-dessous) que les observations de Pamela au niveau de l'Amas accréditent bel et bien l'idée qu'une véritable ceinture d'antimatière existe autour de la Terre.

Cette ceinture est composée d’antiprotons dont on vient de montrer récemment qu’ils avaient une masse identique à celle des protons, à la précision des mesures actuelles, en accord avec la relativité restreinte jointe aux lois de la mécanique quantique.

Sur une période de 850 jours, entre juillet 2006 et décembre 2008, les capteurs embarqués par Pamela ont détecté 28 antiprotons, ce qui est environ trois fois plus que ce qui serait trouvé à partir d'un échantillon aléatoire du vent solaire. On est donc en présence de la source la plus abondante d'antiprotons jamais vue près de la Terre. Elle s'explique par la création de paires de proton-antiproton lors des chocs des particules cosmiques avec les noyaux des couches supérieures de l'atmosphère.

Cartographie du flux de protons perçu par les CCD de COROT derrière le blindage. La trajectoire du satellite est représentée en jaune. On y voit les huit passages par l’anomalie magnétique de l'Atlantique sud. Les couleurs indiquent une intensité de radiations croissante du bleu au rouge. © Cnes

* The discovery of geomagnetically trapped cosmic ray antiprotons

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/une-ceinture-dantiprotons-autour-de-la-terre_32678/

Un groupe de chercheurs américains a découvert que les protéines synthétisées sous forme de nanofilaments par des bactéries étaient aussi conductrices que le métal. Présentée comme un changement de paradigme en biologie, cette découverte pourrait révolutionner la bioélectronique et la nanotechnologie.

La première espèce de bactérie Geobacter (souche initialement désignée GS-15) a été isolée en 1987 dans des sédiments de la rivière Potomac aux États-Unis. Rebaptisée Geobacter metallireducens, cette bactérie fut le premier organisme connu capable d’oxyder des composés organiques avec l’aide d’oxyde de fer, c'est-à-dire qu’il s’est montré capable d’utiliser ces oxydes de la même façon que les animaux qui utilisent de l’oxygène pour produire de l’énergie.

Cette propriété remarquable ainsi que la découverte d’autres espèces de Geobacter ont vivement intéressé les chercheurs pour plusieurs raisons. D'abord, on peut s’en servir pour dépolluer des sols contaminés par des hydrocarbures et même des particules radioactives. Ensuite, les transferts d’électrons impliqués dans les processus de production de CO₂ à partir d’oxyde de fer et de molécules organiques sont des analogues de la photosynthèse et peuvent aussi servir à produire de la bioélectricité.

Mais ce qui fait l’intérêt de la découverte faite par les chercheurs du laboratoire mené par Derek Lovley, publiée dans un article (donné en lien ci-dessous) du journal Nature Nanotechnology, ce sont ses implications dans le domaine de la bioélectronique.

Un groupe de bactéries Geobacter se développant sur un morceau d'oxyde de fer. Les couleurs sont fausses. © Derek Lovley

L’espèce Geobacter sulfurreducens produit des protéines formant des filaments de 3 à 5 nanomètres de diamètre et pouvant s’étendre jusqu'à des dizaines de micromètres de longueur. Ces nanofilaments forment des biofilms microbiens et, à leur grande surprise, les chercheurs ont constaté qu’ils pouvaient conduire l’électricité (comme des métaux) sur une longueur de quelques centimètres. C’est la première fois que l’on découvre un matériau biologique se comportant comme un métal, on croyait jusqu’à présent que de tels biofilms devaient se comporter comme des isolants.

Une nouvelle électronique ?
Or, Geobacter peut se développer sans problème sur une électrode, au lieu d’un morceau d’oxyde de fer. Les chercheurs ont profité de ce fait pour fabriquer un dispositif, avec des électrodes en or et un biofilm, qui se comporte comme un transistor s’ouvrant et se fermant sous l’action d’une différence de potentiel. Remarquablement, la conductivité du biofilm peut être elle aussi contrôlée par un simple changement de température. On est donc en présence d'un nouveau type de transistor organique.

Selon le physicien Mark Tuominen, qui a participé aux recherches des microbiologistes publiées dans Nature: « Cette découverte met non seulement en avant un nouveau principe important en biologie mais aussi dans la science des matériaux. Nous pouvons maintenant examiner un éventail de nouveaux nanomatériaux conducteurs qui sont vivants, naturels, non toxiques, plus faciles à produire et moins coûteux que ceux artificiellement produits par l'Homme. Ils peuvent même nous permettre d'utiliser l'électronique dans l'eau et des milieux humides. Cela ouvre des possibilités intéressantes pour des applications en biologie et pour la production d’énergie qui n'étaient pas possibles auparavant. »

Entourée par des nanofilaments conducteurs en bleu sur cette image prise au microscope, on voit une bactérie Geobacter. © Anna Klimes-Ernie Carbone

* Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/des-transistors-biologiques-avec-des-nanofilaments-bacteriens_32924/

Tous les thésards et les chercheurs dans les domaines aussi divers que la physique, les mathématiques, l'informatique, les sciences non linéaires et la biologie quantitative utilisent le site arXiv. Cette archive électronique, créée initialement par le physicien Paul Ginsparg, accessible gratuitement partout sur la planète où il y a une bonne connexion Internet, a 20 ans ce mois ci.

La révolution des télécommunications actuelle a été prévue, entre autres, par le grand économiste Norman Macrae. Elle permet aujourd’hui à des physiciens théoriciens, des astrophysiciens ou même des mathématiciens de rester connectés avec leurs collègues et la science en marche où qu’ils soient sur la planète, que ce soit à Kiev, Pondichéry ou au pied d’un volcan en éruption à partir du moment où ils disposent d’une connexion Internet et d’un ordinateur portable. Des étudiants peuvent avoir accès aux cours donnés par des chercheurs de renom d’écoles situées à des milliers de kilomètres de leur université. En grande partie, cela a été rendu possible par l’initiative du physicien théoricien Paul Ginsparg, il y a vingt ans ce mois d’août 2011, lorsqu'il a créé arXiv.

On peut trouver quelques-uns de ses souvenirs à ce sujet, avec quelques réflexions sur sa création aujourd’hui dans un article de Nature qui commence ainsi:

« Il y a vingt ans ce mois-ci, j'ai lancé un système de bulletins électroniques destiné à rendre service à quelques centaines d'amis et de collègues qui travaillent dans une sous-division de la physique théorique des hautes énergies. Je venais tout juste de prendre mon poste au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau Mexique et pour la première fois j’avais mon propre ordinateur sur mon bureau, et le désir de simplifier l'échange de manuscrits inédits (prépublications) entre les chercheurs, auparavant distribués sous forme de copies papier par la poste.

Cette archive automatisée avec un système d'alerte pour les prépublications en physique, à l’adresse hep-th@xxx.lanl.gov, a été mise en place peu avant l'aube de l'ère Internet. J’ai d’ailleurs envoyé un e-mail à un collègue au Cern plus d'un an plus tard disant: « Je ne sais rien du WWW, c'est quoi ? » Le plan original prévoyait environ 100 soumissions d'articles, chaque année, chacun stocké pendant trois mois jusqu'à la publication sous forme papier. À la demande générale, rien n'a jamais été supprimé finalement. »

Comme il se doit, Ginsparg a aussi déposé un article arXiv pour célébrer son anniversaire.

Une mémoire pour le cerveau planétaire
Aujourd’hui, c’est l’université de Cornell, celle où a enseigné Carl Sagan, qui s’occupe d’arXiv et plusieurs sites miroirs existent dans le monde. L’archive contient maintenant pas loin de 700.000 articles qu’environ 75.000 autres rejoignent chaque année et ce flux n’est pas près de faiblir. Arxiv c’est aussi 1.000.000 d’articles téléchargés chaque semaine en moyenne par environ 400.000 utilisateurs sur la planète, dont tous ne sont pas des chercheurs professionnels.

Avec des initiatives comme la mise en accès libre des cours du MIT ou encore la mise en ligne des conférences de Feynman, on est donc en présence d’une large démocratisation de l’accès à la connaissance pour les cellules nerveuses individuelles du cerveau planétaire.

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/arxiv-larchive-scientifique-mondialement-celebre-a-20-ans_32920/

Les quarks et les gluons en interaction donnent une forme sphérique aux neutrons dans les conditions de pressions des étoiles normales. Selon deux physiciens, il pourrait ne plus en être de même avec les pressions gigantesques régnant dans les étoiles à neutrons les plus massives. Les neutrons y prendraient une forme cubique.

On peut considérer qu’un atome d’hydrogène dans son état fondamental est de forme sphérique, à cause de la symétrie par rotation de la fonction d’onde de son électron orbitant autour du proton. Mais l’on sait bien que l’électron n’est pas une petite bille en orbite à la façon de la Terre autour du Soleil. En physique quantique, cette image d’atome sphérique n’est précisément que cela… une image commode qui parle à l’esprit humain en des termes classiques.

De même, les observations et la théorie montrent que les neutrons et les protons construits avec des quarks échangeant des gluons peuvent être considérés comme sphériques.

Selon Felipe Llanes-Estrada et Gaspar Moreno Navarro, ce n’est plus nécessairement vrai lorsque la pression est très grande pour de la matière neutronique. On sait qu’il existe encore bien des mystères en ce qui concerne l’état de la matière nucléaire dans les étoiles à neutrons. Mais d’après les calculs des deux chercheurs, dans des étoiles à neutrons très massives, comme c’est le cas avec PSR J1614-2230, et donc dans certains pulsars et magnétars, la pression devient si grande que les neutrons se déforment pour devenir une sorte d’empilement de cubes. Ce serait un peu comme ont tendance à le faire des oranges empilées et tassées fortement. Une explication publiée dans un article sur arXiv donné en lien ci-dessous.

Cela se produirait lorsque la densité de la matière nucléaire dans une étoile à neutrons atteindrait les 1015g/cm3. En prenant cette forme de cube, le volume individuel des neutrons diminuerait de 24%.

Une illustration d'artiste d'une étoile à neutrons, ici un magnétar. © Nasa/CXC/M.Weis

* Cubic neutrons
* Un cours sur les étoiles à neutrons

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/arxiv-larchive-scientifique-mondialement-celebre-a-20-ans_32920/

D’après les travaux d’un groupe de chercheurs de l’université de Rome, « La Sapienza », on peut modifier à volonté l’état supraconducteur d’un cuprate à l'aide de rayons X. On devrait pouvoir ainsi graver des circuits supraconducteurs et les modifier à volonté.

L’année 2011 (Année Internationale de la Chimie) fête l’anniversaire de la découverte de la supraconductivité, il y a cent ans. Si l’on comprend bien les matériaux supraconducteurs classiques, on a toujours du mal à y voir clair chez les supraconducteurs à hautes températures critiques que sont par exemple les cuprates. De nouveaux espoirs ont été suscités par l’application des méthodes mathématiques de la théorie des cordes mais il reste encore beaucoup de travail.

En poursuivant ses travaux sur la supraconductivité des cuprates, Antonio Bianconi a découvert avec ses collègues que des faisceaux de rayons X adéquats pouvaient faire passer localement à l’état supraconducteur un cuprate contenant du lanthane, en contrôlant la position des atomes d’oxygène dopant. La découverte a été publiée dans Nature car selon les chercheurs elle ouvre des perspectives très intéressantes.

En effet, on devrait pouvoir graver des circuits dans un état supraconducteur sur ce cuprate, comme si on utilisait un stylo. Surtout, il suffit d’un courant d’air chaud sur la surface du matériau pour le ramener à un état non supraconducteur et pouvoir à nouveau graver un autre circuit. Les physiciens envisagent de pouvoir construire plus facilement avec cette technique des superconducting quantum interference devices (Squid), ouvrant une nouvelle voie pour la fabrication d’ordinateurs quantiques.

Ils mentionnent une possible application fascinante de cette découverte: un ordinateur pourrait modifier à volonté certains de ses circuits pour se rendre plus efficace !

Un aimant flotte au-dessus d'un cuprate en phase supraconductrice, baignant dans de l'azote liquide. © Mai Linh Doan, Wikipédia

* Evolution and control of oxygen order in a cuprate superconductor

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/en-bref-des-rayons-x-pour-graver-des-circuits-supraconducteurs_33210/

Les chercheurs du laboratoire Kastler Brossel viennent à nouveau de réaliser une première mondiale en réussissant une expérience d’asservissement quantique avec une cavité micro-onde de haute qualité. La boîte à photon réalisée se rapproche un peu plus des conditions nécessaires pour réaliser la fameuse expérience de pensée d’Einstein et devrait être utile dans le domaine de l’information quantique.

On a déjà décrit dans un précédent article une expérience de pensée proposée en 1930 et souvent désignée sous le nom de boîte d'Einstein. Déjà en 2007, Serge Haroche et ses collègues avaient exposé dans Nature exposant les résultats de leurs travaux utilisant une cavité micro-onde où s'observait à l’aide d’une mesure non destructrice un photon unique. Il s’agissait d’un pas significatif pour réaliser la fameuse expérience de la boîte à photon d’Einstein, que celui-ci croyait être une réfutation de l’interprétation orthodoxe de la mécanique quantique construite par Niels Bohr.

Les physiciens du laboratoire Kastler Brossel, toujours sous la direction de Serge Haroche, viennent de publier un nouvel article dans Nature (donné en lien au bas de l'article) dans lequel ils annoncent avoir réussi, cette fois, à contrôler le nombre de photons dans la cavité micro-onde et à le maintenir constant. À la manière de la boucle de rétroaction entre un thermostat et un radiateur chauffant une pièce à température constante, les chercheurs ont réussi à créer une telle boucle pour maintenir constant l’état quantique du nombre de photons dans la cavité.

Le problème à surmonter provenait du fait qu’une mesure perturbe l’état d’un système physique en mécanique quantique. Si l’on veut pouvoir faire des expériences, par exemple dans le domaine de l’information quantique où la décohérence est souvent un obstacle, c’est un atout de pouvoir stabiliser un système quantique de telle sorte que l’information physique récoltée lors d’une mesure ne modifie pas l’état du système à la fin de cette opération.

Une photographie de Bohr et Einstein, sans doute prise à la maison de Paul Ehrenfest à Leiden au Witte Rozenstraat 57 entre 1925 et 1930. © Paul Ehrenfest, AIP Emilio Segre Visual Archives

* Real-time quantum feedback prepares and stabilizes photon number states

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/en-bref-plus-pres-de-la-boite-a-photon-deinstein_33222/

Les supraconducteurs non conventionnels exhibent une supraconductivité exotique. Appelés supraconducteurs à haute température critique, ils ne sont toujours pas vraiment compris. Un groupe de chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS vient d'apporter une nouvelle pièce à ce puzzle, qui contribuera peut-être à résoudre l’énigme.

La supraconductivité a 100 ans depuis le 8 avril 2011. Elle a fasciné bien des physiciens, comme Vitaly Ginzburg et Pierre-Gilles de Gennes, et a donné lieu à l’attribution de plusieurs prix Nobel. Si l'on a fini par comprendre ce qui rendait supraconducteur des matériaux comme le mercure, le plomb et le nitrure de niobium, qui constituent ce qu’on appelle des supraconducteurs conventionnels, il n’en est pas de même pour d’autres matériaux exotiques. Ainsi, on ne comprend toujours pas vraiment pourquoi les cuprates peuvent rester supraconducteurs à des températures dépassant celle de l'azote liquide, qui est de 77K (kelvins).

Voilà qui est très frustrant car l’on aimerait bien avoir des indices pour créer des supraconducteurs non conventionnels à température ambiante. Certes, il est déjà très intéressant pour des applications industrielles de rendre supraconducteur le YBa2Cu3O7 à 92K, et donc de pouvoir utiliser l’azote liquide plutôt que l’hélium, alors que le mercure et le plomb ne le deviennent qu’en dessous de 4,2K et 7K respectivement.

Mais on aimerait faire beaucoup mieux... De la supraconductivité à température ambiante révolutionnerait notre vie de tous les jours, comme on peut le voir dans les vidéos du site SupraDesign.

Une compétition entre plusieurs ordres électriques ?
L’article publié dans Nature par des membres du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS (Grenoble), en compagnie de collègues canadiens, ne permet toujours pas de résoudre l’énigme des supraconducteurs à haute température critique découverts en 1986 par Bednorz et Müller. Mais en soumettant un de ces cuprates, plus précisément du YBaCuO, à des champs magnétiques particulièrement intenses (des milliers de fois plus puissants que ceux des petits aimants qu'arborent les réfrigérateurs ménagers), les chercheurs ont bel et bien découvert une nouvelle pièce du puzzle qui contribuera peut-être à sa résolution.

D’après des mesures faites par résonance magnétique nucléaire, il semblerait que les électrons du cuprate soumis à ces forts champs magnétiques s’ordonnent pour former des sortes de filaments rectilignes ou « stripes ». De telles structures en bandes de charges, ou pour le moins analogues, ont déjà été observées dans des matériaux faiblement supraconducteurs mais jamais vraiment mis en évidence dans des matériaux qui le sont de façon « robuste ». On aurait donc là une preuve que ce type d’ordre apparaît chez tous les cuprates. Or, selon certains, plusieurs mécanismes produisant des structures dans les distributions de charges entreraient en compétition lors du changement de phase conduisant à l’apparition de la supraconductivité. On aurait donc identifié au moins un acteur du phénomène. Un pas de plus sur un long chemin...

* Magnetic-field-induced charge-stripe order in the high-temperature superconductor YBa2Cu3Oy
* Un site sur les 100 ans de la supraconductivité

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/une-nouvelle-piece-du-puzzle-de-la-supraconductivite-exotique_33441/

Cent ans après la découverte de la supraconductivité par le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes, des étudiants en design et des physiciens se sont réunis autour du phénomène de la lévitation supraconductrice. Résultat: un étonnant site et une exposition, baptisés SupraDesign. Venez la découvrir avec Julien Bobroff, professeur à l'Université Paris Sud et responsable au CNRS de l'organisation de l'Année de la supraconductivité 2011.

Le 8 avril 1911, le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes mesurait avec son assistant Gilles Holst la résistance électrique du mercure refroidi par de l’hélium liquide. Ce jour-là, ils découvrent la supraconductivité en observant qu'à 4,2K la résistivité du mercure est nulle.

Le phénomène va passionner des générations entières de chercheurs et des théoriciens de premier calibre s’attaqueront à sa compréhension comme Lev Landau et Richard Feynman. Ce n’est que grâce à la mécanique quantique, avec la fameuse théorie BCS, que l’on comprendra enfin les événements se déroulant dans les supraconducteurs dits conventionnels.

De nos jours, les supraconducteurs sont présents dans de nombreux domaines. On peut citer l’électronique, l’imagerie médicale, les aimants du LHC, les Squids, des capteurs magnétiques ultrasensibles et l’on spécule même sur les propriétés supraconductrices du vide ou d’éventuelles cordes cosmiques.

Devant les propriétés remarquables des supraconducteurs (permettre de transporter de l’énergie électrique sans perte ou de générer de puissants champs magnétiques par exemple), on se mit à rêver d’une technologie nouvelle, utilisable dans la vie de tous les jours.

Il faudrait pour cela que la supraconductivité puisse être obtenue non pas avec des matériaux refroidis à quelques kelvins mais à température ambiante ou presque. L’espoir d’obtenir rapidement cette technologie grandit en 1986 avec la découverte des supraconducteurs à hautes températures critiques par Georg Bednorz et Alex Müller. On cherche depuis lors à comprendre ces matériaux, tels les cuprates, dans lesquels une phase supraconductrice apparaît à « seulement » quelques dizaines de kelvins.

Pour pénétrer en douceur dans le monde fascinant de la supraconductivité et se familiariser avec des concepts importants pour comprendre le phénomène, c'est-à-dire l’effet Meissner et les paires de Cooper, la vidéo ci-dessus est un bon début. Pour aller plus loin il existe une excellente conférence de Julien Bobroff, physicien au laboratoire de Physique des solides de l'Université Paris XI, consultable en ligne sur le site de l’Université Rennes 2.

Avec ses collègues, il a également mis en ligne un site incontournable pour tout savoir sur la supraconductivité, où en est la recherche à son sujet, les applications modernes et les événements organisés en France pour célébrer les 100 ans de la supraconductivité.

Surtout, Julien Bobroff est à l’origine de SupraDesign, un site Web et une exposition se tenant du 6 septembre au 19 novembre 2011 à l'espace Pierre Gilles de Gennes-ESPCI ParisTech à Paris et qui sera installée à la Cité des Sciences à Paris dans le cadre du Festival supra pendant les vacances de la Toussaint (du 22 octobre au 2 novembre).

Il a bien voulu répondre aux questions de Futura-Sciences au sujet de ce projet pour lequel des physiciens et des étudiants en design de l'École nationale supérieure de création industrielle (ENSCI-Les Ateliers) ont imaginé ensemble où pouvaient mener les chemins ouverts par les supraconducteurs et leurs propriétés uniques de lévitation.

Futura-Sciences: Comment vous êtes-vous trouvé impliqué dans le projet SupraDesign ?

Julien Bobroff: Le CNRS m'a chargé de la mission d'organiser l’Année de la supraconductivité. Il s’agissait de profiter du centenaire de la découverte de la supraconductivité le 8 avril 1911, par Kamerlingh Onnes, pour montrer au grand public l’importance de ce phénomène qui reste un domaine actif de recherches profondes en physique fondamentale et la richesse de ses applications technologiques.

La supraconductivité a déjà des applications très concrètes dans notre vie puisque les filtres les plus performants disponibles pour les antennes relais des téléphones portables utilisent des supraconducteurs. Il existe aussi deux techniques d'imagerie médicale qui font appel à la supraconductivité: l'imagerie par résonance magnétique et la magnétoencéphalographie.

Le physicien Julien Bobroff dans son laboratoire. © B. Rajeau, Photothèque CNRS-2011

F-S: Vous vous êtes donc tourné pour cela vers l’École nationale supérieure de création industrielle (ENSCI-Les Ateliers) ?

Julien Bobroff: Oui, l’un des phénomènes les plus frappants associés à la supraconductivité est celui de la lévitation magnétique. Il s’agit d’une lévitation bien différente de celle qui pourrait se produire avec de simples aimants qui se repoussent. Je me suis dit que ce serait une bonne idée de proposer à des designers de réfléchir sur des présentations pédagogiques de ce phénomène et de la supraconductivité, basées sur le design. Je leur ai demandé de réfléchir aussi à ce qui pourrait se passer dans notre vie quotidienne si l’on découvrait un jour le moyen de rendre supraconducteurs des matériaux à température ambiante, ce que l’on ne sait toujours pas faire.

F-S: Quelles ont été les réactions des responsables de l’ENSCI ?

Julien Bobroff: Ils se sont montrés très intéressés car ils cherchaient justement à établir des partenariats avec la communauté scientifique afin que leurs étudiants puissent comprendre le monde de la recherche et la méthode scientifique, avec pour but de pouvoir y appliquer leur compétence en relation avec le design justement.

F-S: Comment cela s’est-il passé concrètement ?

Julien Bobroff: Un groupe d'étudiants d’années différentes a été constitué, encadré par des designers. Ils sont venus visiter mon laboratoire à plusieurs reprises et je leur ai fait des démonstrations avec des supraconducteurs. Je leur ai appris à utiliser l’azote liquide pour faire des manipulations avec des supraconducteurs, ainsi que des rudiments de physique quantique pour qu’ils comprennent les bases du phénomène de la supraconductivité, par exemple la dualité onde-corpuscule. Ils ont réfléchi et travaillé en faisant des expériences concrètes pendant trois mois. Les élèves disposaient d’ailleurs, par exemple, de machines outils pour concrétiser leurs idées.

Comme je vous l’ai dit, ces idées devaient tourner autour de deux axes. Comment expliquer la supraconductivité au grand public en utilisant des objets de design et à quoi ressemblerait le futur avec des objets de la vie quotidienne utilisant des supraconducteurs à température ambiante, c'est-à-dire sans avoir besoin de les refroidir avec de l’azote ou de l’hélium liquide.

Une vidéo montre d’ailleurs une partie du travail réalisé avec les étudiants pendants ces quelques mois.

F-S: Le résultat final est donc aujourd’hui présenté dans les vidéos du site SupraDesign, dont l'une des plus spectaculaires est celle intitulée « No contact ». On est quand même surpris: comment peut-on fixer un sac à dos sur son t-shirt à l'aide d'aimants et sans qu'il nous touche ? Comment marcher en lévitation grâce à des semelles supraconductrices ?

Julien Bobroff: Cela ne serait effectivement pas possible avec des aimants normaux, car il faut non seulement que les parties de ces objets se repoussent magnétiquement mais qu’elles restent accrochées. Les supraconducteurs sont des aimants très particuliers faisant intervenir l’effet Meissner. Un aimant classique est alors piégé par un aimant supraconducteur. Il reste accroché de façon vraiment stable tout en restant à environ 1cm. On peut ainsi faire léviter des poids de plusieurs kilogrammes.

On a demandé aux étudiants de réfléchir sérieusement à des applications vraiment réalisables. Ainsi, la possibilité de fixer des aimants aux tissus d’une chaussette pour marcher en lévitation au-dessus de semelles supraconductrices a été étudiée de façon pratique, sans disposer de véritables aimants surpraconducteurs à température ambiante cependant.

F-S: Du point de vue de l’axe pédagogique, il y a aussi « Supracircus » ?

Julien Bobroff: Effectivement, il s’agissait là d’illustrer différents aspects du phénomène de la supraconductivité avec une mallette pédagogique où des animaux de cirque issus du monde supraconducteur, une fois emplis d’azote liquide, se balancent, sont catapultés, dansent et jouent les acrobates en illustrant dans chaque scénette un phénomène physique différent. Il y a bien sûr la lévitation magnétique. On constate aussi la possibilité de permettre le déplacement d'objets supraconducteurs en lévitation sur une piste en limitant les frottements au maximum (c’est plus ou moins le principe du Maglev japonais). Et que l'on peut retourner une pastille supraconductrice avec un aimant qui, lui, reste accroché en suspension au-dessus du sol.

F-S: Du point de vue plus théorique, sait-on expliquer ce qui se passe dans les supraconducteurs à hautes températures critiques comme les cuprates ?

Julien Bobroff: Non, la seule chose que l’on sache avec certitude c’est que la théorie BCS, qui fonctionne très bien avec les supraconducteurs conventionnels, ne s’applique pas à ces supraconducteurs. Le vrai problème est de comprendre comment se forment les paires de Cooper. Une nouvelle piste a émergé récemment avec des supraconducteurs basés sur des atomes de fer, les pnictures. Le magnétisme interviendrait pour coller ensemble deux électrons. On se demande finalement si cette explication ne s'appliquerait pas aussi aux autres supraconducteurs non conventionnels.

F-S: Une question en rapport avec le film Avatar de James Cameron. On voit flotter sur Pandora à plus de 100m des montagnes censées contenir des supraconducteurs à température ambiante. Pure science-fiction ou pourrait-on aussi imaginer un jour des objets flottants dans le champ magnétique terrestre ?

Julien Bobroff: Pour faire flotter les montagnes Hallelujah d’Avatar à 100m il faudrait disposer d’un champ magnétique de 10.000 T (teslas). Sur Terre, en laboratoire, on atteint tout juste les 100 T... Autant dire que les champs magnétiques régnant sur Pandora sont plutôt ceux que l’on pourrait trouver au cœur d'une étoile à neutrons ! Surtout, avec une telle intensité de champ magnétique, la matière normale exploserait. Il y a un autre problème: pour que l’effet Meissner soit capable de faire flotter un des blocs rocheux du film de Cameron, le champ magnétique doit varier rapidement dans l’espace, ce qui n’est pas ce que l’on observe sur Terre, par exemple.

Des bijoux qui flottent sur votre peau sans vous toucher ? Ce sera peut-être possible un jour grâce aux supraconducteurs. © ENSCI-Supradesign

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/supraconductivite-design-et-levitation-une-interview-de-julien-bobroff_33682/

Avant que le LHC ne commence à faire entrer en collisions des faisceaux de protons, le Tevatron était le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. Célèbre pour sa découverte du quark top, son voyage vers l’infiniment petit prend fin ce 30 septembre 2011.

Le Tevatron était entré en service il y a vingt-huit ans. Comme son nom l’indique, son but était de faire entrer en collisions des protons et des antiprotons à des énergies de 1TeV. Équipé de deux détecteurs, CDF et D0, on espérait qu’il permette la découverte du boson de Higgs (des particules supersymétriques constituant peut-être la matière noire) et de signes de la théorie des cordes, ou pour le moins de celles de Kaluza-Klein.

Il n’a pas permis la découverte du boson de Higgs mais de poser des bornes sur sa masse et ainsi d’éliminer certaines théories, comme probablement le modèle unifié proposé par Alain Connes, basé sur des considérations de géométrie non commutative. On a cru un moment qu’il avait peut-être détecté un boson Z’ mais il a fallu déchanter. La supersymétrie et la matière noire ne se sont pas montrées non plus.

Par contre, le Tevatron a bel et bien permis de découvrir un sixième quark, confirmant le modèle standard des particules élémentaires et il a permis de préciser sa masse ainsi que celles des bosons W. On lui doit également la découverte de nouveaux baryons, prédits cependant par la QCD ainsi que l’observation des oscillations des mésons B, liées à la violation CP.

Peut-être déjà des neutrinos transluminiques...
Il faut mentionner aussi la découverte du neutrino tau, avec l’expérience Donut (Direct Observation of the NeUtrino Tau), et le fait que des faisceaux de protons du Tevatron ont aussi été utilisés produire les faisceaux de neutrinos étudiés avec l’expérience Minos (Main Injector Neutrino Oscillation Search), laquelle montrait déjà des signes de possibles neutrinos transluminiques dont on discute beaucoup aujourd’hui avec les résultats énigmatiques d’Opera.

L'aventure continue pourtant pour plusieurs des chercheurs ayant travaillé au Tevatron puisqu'on les retrouve maintenant au LHC, dans les équipes analysant, par exemple, les résultats des détecteurs Atlas et CMS.

Une vue aérienne du Fermilab et du Tevatron. © Fermilab

Source Actualité Futura-Sciences: http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-tevatron-nira-plus-a-la-chasse-au-boson-de-higgs_33710/